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RELAÇÃO ENTRE O TIPO DE FIXAÇÃO DE TRILHOS EM DORMENTES DE MADEIRA E A CIRCULAÇÃO DE TRENS: UM ESTUDO DE CASOTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE DE UBERABA
GERALDO SANTANA NETO
RELAÇÃO ENTRE O TIPO DE FIXAÇÃO DE TRILHOS EM DORMENTES DE MADEIRA E A CIRCULAÇÃO DE TRENS:
UM ESTUDO DE CASO
UBERLÂNDIA – MG 2012
GERALDO SANTANA NETO
RELAÇÃO ENTRE O TIPO DE FIXAÇÃO DE TRILHOS EM
DORMENTES DE MADEIRA E A CIRCULAÇÃO DE TRENS: UM ESTUDO DE CASO
Trabalho apresentado à Universidade de Uberaba, como parte das exigências à conclusão da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do 10º Período, do curso de Engenharia Civil. Orientador: Prof. George Wilton Albuquerque Rangel.
UBERLÂNDIA – MG 2012
GERALDO SANTANA NETO
RELAÇÃO ENTRE O TIPO DE FIXAÇÃO DE TRILHOS EM DORMENTES DE MADEIRA E A CIRCULAÇÃO DE TRENS:
UM ESTUDO DE CASO
Trabalho apresentado à Universidade de Uberaba, como parte das exigências à conclusão da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do 10º Período, do curso de Engenharia Civil. Orientador: Prof. George Wilton Albuquerque Rangel.
Aprovado em: ___/___/___
BANCA EXAMINADORA
____________________________________________ Prof. George Wilton Albuquerque Rangel
Universidade de Uberaba Orientador
___________________________________________ Prof.a Drª. Cristiane Tumang Frare
Universidade de Uberaba Examinadora
__________________________________________ Prof. Esp. Fernando Araújo Universidade de Uberaba
Examinador
Dedico esse trabalho à minha família.
Meus pais Hélio e Olga por me educarem
e ensinarem que os estudos são
primordiais na formação da pessoa
humana. Meu irmão Rodrigo pelo exemplo
no zelo das atividades acadêmicas. Minha
esposa Sônia, fiel companheira e auxílio
em todos os desafios impostos na nossa
vida em comum.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, autor da vida e Pai muito amado em que ponho todo meu
caminhar.
Aos meus tios, tias, primos, primas, afilhados e afilhadas, meu muito
obrigado pela torcida e confiança que em mim depositam.
Ao Professor George Wilton Albuquerque Rangel pelo apoio e incentivo na
busca dos assuntos referentes ao meio ferroviário, orientação e presteza na
realização desse trabalho e do aprendizado das disciplinas por ele ministradas.
Aos Professores Fernando Araújo e Cristiane Tumang, por comporem a
banca examinadora, bem como pelas considerações feitas durante a apresentação
do trabalho.
A todos os professores do curso de Engenharia Civil da UNIUBE –
Universidade de Uberaba, meu muito obrigado pela troca de experiências que
contribuíram na minha formação acadêmica e no meu amadurecimento pessoal e
profissional, entendendo em muitas vezes minhas falhas e limitações.
Em especial os professores Carlos Henrique Barreiro, Diretor do curso de
Engenharia Civil; Vanessa Rosa Pereira Fidelis, Túlio Augusto Caleiro Acerbi, Maria
Regina Ayres de Lima, Dagoberto Camargo Caria, José Franklin Moreira.
A assistente pedagógica Telma Calixto Pereira pela atenção prestada e
quem muito me incentivou matricular na disciplina de trabalho de conclusão de curso
desse semestre.
As assistentes pedagógicas Iza Lúcia e Leonilda pelo esforço na solução
dos problemas acadêmicos do dia-a-dia.
Aos amigos da Ferrovia Centro-Atlântica que direta ou indiretamente me
ajudaram nesse trabalho e na conclusão desse curso de Engenharia Civil.
A cada um dos amigos e amigas do curso de Engenharia Civil, meu respeito
e consideração e obrigado pela presença nesses anos.
A todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização do
curso e elaboração deste trabalho.
Linha é capricho, é o detalhe; não é uma estrutura inerte, tem vida!
(Eduardo de Aquino Carneiro)
RESUMO
O presente trabalho consistiu principalmente num estudo de caso cujo principal objetivo foi apresentar as premissas para operação de locomotivas de grande porte e trens com composições mais pesadas num determinado trecho de via férrea, apontando as principais adequações que precisariam ser realizadas nesse segmento. Para tanto foi realizada inicialmente uma revisão bibliográfica apresentando particularidades relativas ao trabalho na via permanente, que envolveu a descrição dos principais tipos de dormentes (madeira, aço, concreto e plástico) bem como dos sistemas de fixação (direta e indireta; e rígida ou elástica) de trilhos e seus principais componentes. Considerando o estudo de caso, constatou-se que são necessárias retificações da linha férrea no sentido de corrigir raios de curvas menores que 145 metros, bem como é necessária a substituição das fixações rígidas atualmente utilizadas no trecho considerado, por fixações elásticas, de modo a garantir maior estabilidade e segurança do tráfego de composições. Palavras chaves: Ferrovia; Via Permanente; Fixação de trilhos; Dormentes.
ABSTRACT
This work consisted mainly of a case study whose main objective was to show the premises to operate a large locomotives and trains with heavier compositions in a given stretch of rail, pointing out the main adjustments that need to be made in this segment. Initially a literature review was made showing particularities on the work in the railway, which involved descriptions about the types of ties or sleepers (timber, concrete, steel, or plastic), as well as about the fastening systems of track (direct and indirect fixations; elastic or rigid fixations) and its major components. Considering the case study, it was found that corrections are required of the railroad in order to correct bend radii less than 145 meters, as well as is necessary to replace the rigid fixation currently used in the section considered with elastic fixations, to ensure greater stability and safety of traffic compositions. Keywords: Railroad; Trackage, Fastening system of track; Ties (or sleepers).
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Elementos da Via Permanente..................................................................12
Figura 2 – Tipos de Dormentes. Da esquerda para a direita: dormente de madeira,
concreto, aço e plástico..............................................................................................15
Figura 3 – Via com dormente de madeira e fixação rígida.........................................19
Figura 4 – Via com dormente de madeira e fixação elástica do tipo Pandrol............19
Figura 5 – Prego de Linha para dormente de madeira...............................................20
Figura 6 – Tirefond.....................................................................................................21
Figura 7 – Prego de linha elástico simples para dormente de madeira.....................23
Figura 8 – Fixação tipo K ou GEO para dormente de madeira..................................24
Figura 9 – Grampo elástico duplo para dormente de madeira...................................25
Figura 10 – Grampo Elástico Pandrol........................................................................25
Figura 11 – Grampo Deenik para dormente de madeira............................................26
Figura 12 – Grampo elástico SKL para dormente de madeira...................................26
Figura 13 – Placa de apoio elástica Deenik, furação ¾.............................................28
Figura 14 – Arruela de Pressão Dupla e sua aplicação no conjunto de fixação........30
Figura 15 – Retensores e sua aplicação no conjunto de fixação...............................31
Figura 16 – Forças atuantes num veículo rodoviário.................................................34
Figura 17 – Simulador de Inscrição em curvas para locomotiva DDM.......................36
Figura 18 – Fluxo dos Cálculos..................................................................................40
Figura 19 – Esforços transversais entre Goiandira e Catalão com três locomotivas
DDM e 35 vagões, fixação rígida............................................................41
Figura 20 – Esforços transversais entre Goiandira e Catalão com três locomotivas
DDM e 35 vagões, fixação elástica.........................................................42
Quadro 1 – Vantagens e desvantagens dos principais tipos de dormentes..............16
Quadro 2 – Tipos de fixações em dormentes de madeira – Ferrovias da VALE.......32
SUMÁRIO
1. Introdução............................................................................................................10
1.1. Justificativa............................................................................................10
1.2. Objetivos...............................................................................................11
1.2.1. Objetivo Geral.............................................................................11
1.2.2. Objetivos Específicos.................................................................11
2. Fundamentação Teórica.......................................................................................12
2.1. Via Permanente.....................................................................................12
2.1.1. Dormentes..................................................................................13
2.1.2. Tipos de Dormentes: Vantagens e Desvantagens.....................14
2.1.3. Dormentes de Madeira...............................................................17
2.1.4. Sistemas de fixação para dormentes de madeira......................18
2.1.4.1. Componentes de Sistemas de Fixação Rígida..........20
2.1.4.2. Componentes de Sistemas de Fixação Elástica........22
2.1.5. Considerações sobre fixação rígida e fixação elástica...............27
2.1.6. Outros acessórios importantes no comportamento do conjunto
de fixações.................................................................................27
2.1.6.1. Placas de apoio.........................................................27
2.1.6.2. Arruelas de pressão e Retensores............................30
3. Metodologia para fundamentação e estudo de caso............................................33
4. Resultados e Discussão.......................................................................................33
4.1. Estudo de caso......................................................................................33
4.1.1. Análises quanto à inscrição da locomotiva DDM nas curvas.....36
4.1.2. Análises quanto aos esforços transversais para o trecho
Goiandira-Catalão......................................................................37
4.1.3. Resultado das Simulações.........................................................39
5. Conclusão.............................................................................................................44
Referências..........................................................................................................46
10
1. INTRODUÇÃO
De acordo com os dados do ano de 2007 do Centro de Excelência em
Engenharia de Transportes (CENTRAN), a representatividade do modal ferroviário
de transporte no Brasil é de 25 %, inferior ao do transporte rodoviário. Desde a
primeira ferrovia implantada no Brasil em 1854, os objetivos atendidos com a
expansão ferroviária foram permitir a grande entrada de investimentos estrangeiros
no Brasil e contribuir para o crescimento da economia exportadora.
Rodrigues (2001) afirma que esta modalidade de transporte foi
importantíssima para o escoamento de produtos agrícolas, principalmente o café,
entre 1870 e 1930. Entretanto, com o investimento maior nas rodovias, as ferrovias
foram deixadas de lado pelo governo, o que foi lamentável.
Assim, segundo Fleury (2007), a partir de 1997 iniciou-se o processo de
privatização das ferrovias brasileiras. Desde então é observada uma evolução
positiva no que diz respeito ao volume total transportado e aos investimentos no
setor ferroviário, entretanto, o sistema ferroviário brasileiro continua com um
desempenho a desejar.
A principal vantagem das ferrovias é a alta capacidade de transporte de
carga, o baixo consumo energético e os fretes decrescentes. Entre as desvantagens
está o tempo longo de viagem, a baixa flexibilidade de rotas, além da alta exposição
a roubos.
Neste sentido, a construção, uso e manutenção da via é comum para este
tipo de transporte. Contudo, a deterioração dos dormentes é algo inevitável, de
modo que muitos questionamentos surgem a partir deste fato, tais como: o que fazer
para diminuir o desgaste dos dormentes? Qual modalidade de fixação contribui para
a melhor estabilidade e durabilidade da estrutura dormente-trilhos? Quais são as
vantagens da utilização dos dormentes de madeira para a fixação dos trilhos?
1.1. JUSTIFICATIVA
Este trabalho se justifica pela importância que se tem o transporte ferroviário
no Brasil, seja de carga ou de pessoas. Também pela posição e necessidade de
diminuir gastos com os custos operacionais deste transporte, sejam de instalação ou
manutenção. Além disso, o presente trabalho mostra-se relevante também por
11
contribuir com mais informações para o campo de estudos da ferrovia que, como foi
percebido na revisão bibliográfica ainda é escasso.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo Geral
Realizar um estudo de caso sobre a relação entre o tipo de fixação utilizada
na via férrea e o tipo de locomotivas utilizadas.
1.2.2. Objetivos Específicos
a) Apresentar particularidade sobre a fixação e trilhos em dormentes de
madeira;
b) Mostrar a importância da avaliação técnica da fixação de trilhos em
dormentes de madeiras;
c) Conhecer os tipos de fixações mais utilizados;
d) Analisar os diversos modelos de fixação;
e) Analisar os requisitos de desempenho das fixações em dormentes de
madeira.
12
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Via Permanente
De acordo com Brina (1988), a Superestrutura das estradas de ferro é
constituída pela via permanente, que está sujeita à ação de desgastes das rodas
dos veículos e do meio e que é construída de modo a ser renovada quando o seu
desgaste atingir o limite de tolerância exigido pela segurança ou comodidade da
circulação, podendo até mesmo vir a ser substituída em seus principais constituintes,
quando assim o exigir a intensidade de tráfego ou o aumento de peso do material
rodante.
Segundo Schramm (1977) a implantação da bitola (distância entre faces
internas de dois trilhos da linha férrea) é a essência da via permanente.
Considerando a ferrovia convencional, há duas rodas de aço dotadas de friso e
aplicadas solidamente nas extremidades de um eixo, que rolam sobre dois trilhos,
sendo que neste caso tanto as rodas quanto os trilhos devem manter entre si uma
determinada distância. As rodas exercem grandes esforços nos trilhos e estes, por
sua vez, exercem grande força no solo, e para a perfeita e adequada transmissão
dos esforços é necessário recorrer a componentes construtivos especiais: os
dormentes, os trilhos e o lastro (Figura 1).
Figura 1 - Elementos de via permanente. Fonte: PORTO (2006)
13
Schramm (1977) afirma que os trilhos e os dormentes não estão rigidamente
ligados ao solo e sim flutuando sobre o lastro, de modo que os aspectos dinâmicos e
estáticos apresentados por esse conjunto (trilho/dormente) são diferentes destes
mesmos aspectos quando observados na construção civil convencional
caracterizada por sólidas ancoragens ao solo.
Ainda para Schramm (1977), tudo o que está sob a superestrutura ou via
permanente denomina-se Infraestrutura ou leito ferroviário, formado pelo corte, pelo
aterro, pelas obras de artes especiais (pontes, túneis) e obras de artes correntes
(bueiros, drenos).
Assim, as características da via permanente são próprias e requerem estudos
de construção e manutenção, com normas e padrões técnicos próprios, que
contribuem para a segurança da própria via.
2.1.1. Dormentes
Brina (1988) define dormente como um elemento da superestrutura ferroviária
que tendo dimensões apropriadas, fixa e mantem a distância entre os trilhos,
transmitindo ao lastro as cargas recebidas dos veículos ferroviários. Para cumprir
essa finalidade é necessário que:
a) Suas dimensões, comprimento e largura, forneçam uma superfície de
apoio suficiente para que a taxa de trabalho no lastro não ultrapasse certo
limite;
b) Sua espessura permita uma rigidez capaz de gerar alguma elasticidade;
c) Tenha durabilidade e resistência suficientes aos esforços e que se oponha
aos deslocamentos longitudinais e transversais da via;
d) Permita uma boa fixação do trilho, sem ser excessivamente rígida.
De acordo com Schramm (1977) a seção transversal dos dormentes é
determinada mais em função de fatores construtivos e de economia de material do
que tendo em vista detalhes estáticos. Já no que diz respeito ao comprimento dos
dormentes, por vários anos os cálculos eram feitos pensando esse elemento imerso
ao lastro e com comportamento estático, onde teria apoio uniforme em toda sua face
14
inferior. Porém, esse pensamento não corresponde à realidade e nem sequer é
desejável tal comportamento do dormente.
Se um dormente ficar imerso no lastro e for socado sob toda sua superfície de
apoio, com a passagem dos trens tende a sofrer um movimento semelhante ao de
uma gangorra, ou seja, a parte média do comprimento está mais firme do que suas
extremidades levando a superestrutura a uma situação de instabilidade da via. Por
estas razões, adota-se um comprimento e modo de socaria em uma extensão média
do dormente onde fica apenas fracamente apoiada, ou mesmo livre, permitindo
durante a passagem dos trens atuação de cargas verticais que não geram na parte
média do dormente, reações de apoio e, consequentemente, fica livre de tensões de
flexão.
2.1.2. Tipos de Dormentes: Vantagens e Desvantagens
Quanto ao material de que são feitos, os dormentes usados atualmente
podem ser classificados em quatro tipos (Figura 2):
a) Dormentes de madeira;
b) Dormentes de concreto;
c) Dormentes de aço;
d) Dormentes de plástico – que ainda não são muito utilizados, mas que vem
sendo estudados em algumas ferrovias, como é o caso da MRS Logística.
No caso, o plástico é um material que oferece resistência e durabilidade,
além de ser uma fonte renovável de material. Contudo, não é um material
que resiste a altas temperaturas, que no caso da linha férrea, podem
chegar a 50°C, além do risco de fogo na vegetação que margeia a via.
Deste modo ainda são necessários estudos que permitam aumentar a
resistência e proteção deste tipo de dormente diante destas intempéries.
15
Figura 2 – Tipos de Dormentes. Da esquerda para a direita: madeira, concreto, aço e plástico. Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
De acordo com Schramm (1997), os dormentes de madeira, concreto e aço
atendem aos aspectos técnicos e finalidades previstas, mas apresentam
semelhanças e diferenças importantes entre si, conforme pode ser observado no
quadro da página seguinte (Quadro 1).
Diante das informações apresentadas, é importante salientar que os
dormentes de madeira levam ligeira vantagem em relação aos dormentes de
concreto e aço no que se refere principalmente ao custo, de modo que ainda é o
mais utilizado nas vias férreas atualmente. Em função disso, a seguir são
apresentadas algumas particularidades referentes a este tipo de dormente.
16
Quadro 1 - Vantagens e desvantagens dos principais tipos de dormentes
Tipos de Dormentes
Vantagens Desvantagens
MADEIRA
Boa resistência e elasticidade;
Facilidade de manuseio e de substituição na linha;
Bom isolamento em linhas sinalizadas;
Menores danos em caso de descarrilamento;
Facilidade de substituição da fixação sendo simples e eficiente.
Vida útil relativamente curta;
Apodrecimento progressivo;
Vulneráveis ao ataque de insetos e fungos e ao fogo;
Gradativa redução da capacidade de manter a bitola e o estado geral das fixações;
Sujeito à escassez
CONCRETO
Longa vida útil (40 a 50 anos);
Peso elevado: o que favorece a maior estabilidade à via e segurança máxima em relação à flambagem da linha;
Boa e permanente manutenção da bitola;
Ótima capacidade isolante em linhas sinalizadas;
Resistência aos agentes atmosféricos;
Características físicas e mecânicas uniformes;
Redução de custos de conservação da linha.
Processo de fabricação apurado;
Preço elevado;
Dificuldade de transporte e manuseio, devido ao peso; Fixação pouco eficaz; Necessidade de linha com alto padrão de lastro e nivelamento.
AÇO
Material perfeitamente homogêneo e de fácil moldagem por laminação;
Boa resistência aos esforços longitudinais e transversais da linha, pois estão assentados no lastro;
Durável manutenção da bitola;
Facilidade de manuseio e assentamento;
Longa vida útil;
Fácil venda como sucata dos dormentes imprestáveis
Desgaste dos elementos de fixação, devido à vibração;
Preço elevado quando comparados aos dormentes de madeira ou concreto;
Dificuldade de isolamento, por ser bom condutor de eletricidade;
Socaria inicial difícil, devido à sua forma;
Vulneráveis aos ambientes quimicamente agressivos
Fonte: Ferrovia Centro Atlântica - VALE. Manuais técnicos de via permanente (2009)
17
2.1.3. Dormentes de madeira
Segundo Brina (1988) a madeira apresenta todas as qualidades exigidas para
o dormente e continua a ser, até o presente, o principal tipo de dormente utilizado
pelas ferrovias, inclusive no Brasil.
Para Schramm (1977) a escolha dos tipos de madeira para a confecção de
dormentes não é feita exclusivamente em função das propriedades e das
características técnicas dos materiais. Outros fatores são de fundamental
importância tais como: disponibilidade de reservas florestais adequadas nas regiões
em que estão instaladas as ferrovias; condições econômicas, que permitam a
eventual importação de madeira bruta ou mesmo dormentes já beneficiados.
Segundo Porto (2006), os dormentes de madeira de lei, no Brasil, duram de
15 a 20 anos, dependendo do tratamento. Os dormentes fabricados a partir de
madeiras comuns duram de 5 a 6 anos, e os dormentes não tratados possuem uma
vida útil de 2 a 10 anos. No restante do mundo, os dormentes tratados com
pentaclorofenol duram de 25 a 30 anos, os tratados com sais, de 15 a 20 anos e o
não tratado, de 3 a 15 anos.
De acordo Brina (1988) além da qualidade da madeira, outros fatores tem
influência na durabilidade, como: o clima; a drenagem da via; o peso e a velocidade
dos trens; a época do ano em que a madeira foi cortada; o grau de secagem; o tipo
de fixação do trilho usado; o tipo de lastro e a que condição está submetido; o tipo
de placa de apoio do trilho no dormente, dentre outros fatores.
Além disso, o ponto mais vulnerável do dormente é o local onde se dá a
fixação do trilho. Apesar de poder ser substituída a pregação, fazendo-se outro furo
ao lado do primeiro furo, geralmente o dormente é considerado inutilizado, devendo
ser substituído por não mais resistir à nova pregação (DUVAL, 2001).
Por fim, é relevante mencionar que as propriedades mecânicas de
compressão paralela e perpendicular às fibras, bem como a dureza são muito
importantes, principalmente a de topo, uma vez que o trilho transmite à
superestrutura os esforços horizontais – principalmente nas curvas – na medida em
que empurra a fixação (prego, tirefonds, etc.) contra as paredes laterais do furo.
18
2.1.4. Sistemas de Fixação para dormentes de madeira
Segundo Brina (1988) as fixações são os elementos/acessórios ferroviários
necessários à fixação do trilho ao dormente e podem ser de dois tipos fundamentais:
fixação rígida (Figura 3) e fixação flexível (Figura 4). Conforme Vilhena (1976) esta
última fixação também é chamada de elástica, denominação que será empregada
neste trabalho.
Os componentes utilizados nos sistemas de fixação rígida podem ser:
a. As placas de apoio;
b. Os pregos;
c. Os tirefonds.
Já os componentes usados nos sistemas de fixação elástica compreendem:
a. As placas de apoio;
b. Os tirefonds;
c. As arruelas duplas de pressão;
d. Os grampos;
e. As garras tipo K ou GEO;
f. E os parafusos (utilizados nos sistemas de fixação tipo K, GEO).
A seguir são explicados em maiores detalhes alguns desses componentes.
19
Figura 3 - Via com dormente de madeira e fixação rígida. Fonte: acervo pessoal do autor.
Figura 4 - Via com dormente de madeira e fixação elástica do tipo Pandrol. Fonte: acervo pessoal do autor.
20
2.1.4.1. Componentes de Sistemas de Fixação Rígida
O prego ou grampo de linha é o tipo mais comum de fixação de trilho. É
geralmente de seção retangular, terminando em cunha e cravado a golpes de
marreta, em furo previamente preparado, cujo diâmetro dever ser ligeiramente
menor que o diâmetro do circulo circunscrito à seção do prego, a fim de dar a
necessária pressão no dormente. A cabeça do prego de linha apresenta uma
saliência que se apoia no patim do trilho – parte inferior do trilho que fica apoiada
sobre os dormentes e permite a fixação do trilho ao dormente, também denominada
de sapata – e tem na parte inferior a mesma inclinação do patim. No sentido
perpendicular à saliência, o prego dispõe de duas “orelhas” para permitir seu
arrancamento, por meio de alavanca “pé-de-cabra”. Conforme o tipo de cabeça tem-
se duas espécies de prego: cabeça de cachorro e cabeça asa de barata (Figura 5).
Figura 5 - Prego de Linha para dormente de madeira Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
O prego é considerado o menos eficiente dos tipos de fixação, pois
funcionando como “cunha” na madeira, cria a tendência de rachar o dormente, e
ainda oferece pouca resistência ao arrancamento (aproximadamente 2200 kg) e em
determinada madeiras com fibras lisas, costuma subir, deixando folga entre a fixação
e o patim do trilho (BRINA, 1988).
O Tirefond (Figura 6) é um parafuso prisioneiro, que é cravado no dormente,
para fixar os trilhos, mediante pressão exercida pela aba existente na cabeça da
21
peça. Normalmente a cabeça é de seção quadrada ou retangular e o comprimento
do fuste varia (SCHRAMM, 1977).
Brina (1988) define tirefond como um parafuso de “rosca soberba” – roscas
comuns que começam finas e vão engrossando devido ao aumento da distância
entre filetes, e no qual o próprio parafuso abre a rosca caracterizando-os como auto-
atarraxantes. Além disso, a cabeça do tirefond pode-se adaptar a uma chave
especial ou ao cabeçote de máquina “tirefonadeira”, que é um instrumento de
pequeno porte que aparafusa o tirefond na madeira. A cabeça do tirefond tem uma
base alargada, em forma de aba de chapéu, que na face inferior tem a mesma
inclinação do patim do trilho, de modo a adaptar-se ao mesmo.
Figura 6 - Tirefond. Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
O tirefond é um tipo de fixação superior ao prego, pois sendo aparafusado,
fica mais solidário com a madeira do dormente, sacrificando menos as fibras desta e
oferecendo uma resistência ao arrancamento bem superior (aproximadamente 7000
kg). O furo do dormente fica hermeticamente fechado pelo tirefond, impedindo
entrada de água, o que nem sempre acontece com o prego (BRINA, 1988).
Considerando ainda o sistema de fixação rígida, é importante mencionar que,
costumeiramente, neste tipo de fixação é feita a pregação cruzada, que consiste em
colocar os pregos ou tirefonds deslocados do centro do dormente, em posições
desencontradas a fim de permitir nova pregação, em posição simétrica, quando a
primeira afrouxar (BRINA, 1988).
22
Além disso, quanto à resistência ao arrancamento de pregos e tirefonds, é
sabido que as composições ferroviárias em movimento exercem consideráveis
pressões laterais e verticais sobre os trilhos, em função de seu peso e do efeito da
força centrífuga, que aumenta consideravelmente nas curvas. Considera-se, pois,
uma característica extremamente importante para um dormente a de segurar bem os
pregos e tirefonds para evitar que o afrouxamento dos mesmos enfraqueça o
sistema de fixação (Brina, 1988).
Segundo Schramm (1977) todo parafuso prisioneiro, quando devidamente
retensionado, exerce sobre a madeira de dormente certa força de cisalhamento.
Com a progressiva deterioração por apodrecimento, a resistência das fibras da
madeira dos dormentes diminui. Assim quando se aplicar reaperto excessivo, a força
de fixação do tirefond ao dormente torna-se insuficiente para adequada fixação do
trilho ao dormente.
Objetivando contornar essa situação, foram propostas sugestões e efetuadas
experiências que preconizavam a substituição dos tirefonds por parafusos com
porcas, que atravessavam totalmente o dormente. Contudo, tal solução não se
mostrou eficaz, em função de dificuldades de aplicação e de manutenção. A fixação
simples e de reduzido custo, que emprega unicamente o tirefond, antigamente era
padrão na França, inclusive em trechos de tráfego pesado. Na Alemanha essa
fixação também foi empregada, se bem que em pequena escala e somente em
trechos de tráfego mais leve.
2.1.4.2. Componentes de Sistemas de Fixação Elástica
Considerando agora a modalidade de fixação elástica, Brina (1988) apresenta
diversos tipos de fixações elásticas cuja eficiência é superior às fixações rígidas já
apresentadas. Os principais componentes são descritos a seguir.
O prego de linha elástico simples (Figura 7) foi provavelmente uma das
primeiras fixações elásticas idealizadas e que visava proporcionar uma melhor
conservação dos dormentes. Esse prego apresentou bons resultados, quando
aplicado em linhas de tráfego leve ou médio. Sua seção transversal é
aproximadamente quadrática, sendo formado por uma fita de aço dupla de 8 x 16
mm, com o que se alcança um favorável e amplo curso de mola de 10 mm. Sua forte
23
e resistente fixação no dormente não resulta somente da sua aderência por atrito na
madeira, como também e principalmente pela circunstância de receber, em sua
extremidade e excentricidade, a força exercida pelo patim do trilho (SCHRAMM,
1979).
Segundo Brina (1988) a parte superior deste prego quando tensionada
oferece pressão de aproximadamente 400 kg sobre o patim, pressão suficiente para
impedir os deslocamentos longitudinais do trilho, funcionando como retensor. Em
cada ponto de fixação aplicam-se 2, 3 ou 4 pregos, ou sejam, 4, 6 ou 8 por
dormente.
Figura 7 - Prego de linha elástico simples para dormente de madeira Fonte: BRINA (1988)
Outro tipo de fixação flexível é o prego de linha elástico duplo. Conforme
explica Schramm (1979), este prego diferencia-se basicamente dos tipos de pregos
anteriores por ter duas extremidades cravadas no dormente. Na Rede Ferroviária
Federal da Alemanha, em específico na ferrovia Deutsche Bundesbahn, o tipo duplo
foi empregado em trechos de tráfego médio e em linhas em túneis, no intuito de
reduzir ao máximo os acessórios de trilhos, em face de forte corrosão que
normalmente se verifica em túneis. Sendo que em muitos casos é comum recorrer à
galvanização dos pregos, ou então, recobri-los com pinturas protetoras.
Prosseguindo, temos ainda a fixação tipo K ou GEO (Figura 8). De acordo
com Schramm (1977), após a 1ª Guerra Mundial, as diversas ferrovias estatais da
Alemanha, que adotavam variados tipos de fixação de trilhos reuniram-se para
decidir sobre a adoção de um tipo único de fixação, que passaria a ser o padrão
24
para toda Ferrovia, tendo como condições preliminares que o padrão deveria ser
robusto, e a fixação do tipo indireto, e que as peças de fixação do trilho se situassem
todas sobre a placa de apoio. O tipo projetado por Doehlert, em Dresden,
correspondia às condições que haviam sido previamente estabelecidas e foi adotado
como padrão em 1926, sob a denominação de “Fixação K”, mais conhecida no
exterior como “Fixação GEO”.
De acordo com Brina (1988), este é um dos melhores tipos de fixação.
Consiste em uma placa de aço fixada ao dormente por meio de tirefonds e composta
de nervuras, nas quais se encaixam as cabeças dos parafusos, que apertam uma
castanha contra o patim do trilho. Entre a castanha e a porca dos parafusos são
colocadas uma ou mais arruelas, o que torna a fixação elástica e com aumento na
resistência por atrito, que se opõe ao deslocamento longitudinal do trilho em relação
ao dormente, dispensando assim a necessidade da aplicação de retensores na
linha.
Figura 8 - Fixação tipo K ou GEO para dormente de madeira Fonte: BRINA (1988)
Outro tipo de fixação elástica é o Grampo elástico duplo. Usado
principalmente na Alemanha e em linhas de tráfego médio, possui duas hastes
cravadas no dormente ou encaixadas na placa de apoio (Figura 9).
25
Figura 9 - Grampo elástico duplo para dormente de madeira Fonte: BRINA (1988)
Temos ainda a Fixação Pandrol (Figura 10), que segundo Brina (1988) é uma
fixação moderna, fabricada na Inglaterra e que consiste em um grampo fabricado
com aço de mola, temperado e revenido. Esse grampo se encaixa nos furos da
placa de apoio, de tipo especial. A importância de ser revenido está no tratamento
térmico feito para corrigir os inconvenientes decorrentes da têmpera, a qual pode
tornar o aço excessivamente rígido e frágil. O revenido aumenta a ductibilidade e
elasticidade do aço, tornando-o um aço-mola. Contudo, esse tipo de fixação está
sujeito a vandalismo devido à facilidade com que pode ser retirada por terceiros,
embora existam dispositivos instalados em conjunto que dificultam essa ação.
Figura 10 – Grampo Elástico Pandrol Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
A Fixação Deenik é fabricada em aço-mola e possui bom desempenho na
função de retensionamento dos trilhos. O seu encaixe sobre o patim do trilho é
26
perpendicular. A seção do grampo possui três modelos: circular, variável e quadrada
(Figuras 11).
Figura11 - Grampo Deenik para dormente de madeira Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
Finalmente, temos o Grampo elástico SKL, que possui hastes de seção
redonda e é aplicado através do aperto do tirefond, ou outro parafuso, diretamente
sobre ele, resultando em sua compressão sobre o patim do trilho (Figura 12).
Figura 12 - Grampo elástico SKL para dormente de madeira Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
27
2.1.5. Considerações sobre fixação rígida e fixação elástica
Segundo Vilhena (1976) na fixação rígida, o trilho é preso ao dormente por
tirefond ou prego, intercalando-se comumente, entre o trilho e dormente, a placa de
apoio, para permitir melhor distribuição de esforços. O dormente acompanha o trilho
no seu movimento vertical. No sentido horizontal o trilho tende a caminhar sobre o
dormente, exigindo o emprego de outro elemento, o retensor, que visa impedir esse
caminhamento. A fixação rígida, sob a ação repetitiva da carga por roda, sofre um
rápido afrouxamento, e sob a ação de uma carga dinâmica de uma roda sobre o
dormente surge uma solicitação vertical na superfície de contato do dormente,
provocando um choque que tenta arrancar os pregos e tirefonds, resultando em
consequências desastrosas para a linha.
Ainda segundo Vilhena (1976), na fixação elástica, a premissa básica é a
intercalação, entre trilho e dormente, de um elemento elástico que tenha um curso
suficiente e a necessária força tensora. Distingue-se ainda a fixação elástica direta e
indireta, sendo que a primeira une-se diretamente ao dormente, enquanto a segunda
admite uma placa de apoio com sua fixação ao dormente e a fixação separada ou
independente do trilho à placa.
2.1.6. Outros acessórios importantes no comportamento do conjunto de
fixações
2.1.6.1. Placas de Apoio
Segundo Brina (1988), a placa de apoio (figura 13) consiste em uma chapa de
aço introduzida entre o patim do trilho e o dormente que proporciona o aumento da
área de apoio e consequentemente uma melhor distribuição de carga sobre o
dormente. Além disso, apresenta os furos necessários à passagem dos elementos
de fixação do trilho ao dormente.
Segundo Stopatto (1987), a utilização de placas de apoio na fixação dos
trilhos apresenta as seguintes vantagens:
28
a) Elas distribuem a pressão do trilho uniformemente sobre a superfície de
apoio dos dormentes;
b) Impedem que o patim do trilho, em decorrência de forças laterais, exerça
pressões horizontais sobre os pregos e tirefonds. As forças laterais são a
eles transmitidas através das placas de apoio, sendo que parte destas
forças é absorvida pelo atrito entre placa de apoio e dormente; e no caso
de ausência da placa, só a pregação externa não suportaria o esforço
transversal;
c) Reduzem os custos de manutenção e aumentam a vida útil dos
dormentes.
Figura 13 - Placa de apoio elástica Deenik, furação ¾”. Fonte: Manual Técnico de via permanente da Vale (2009)
Há ocasiões em que a superfície de apoio das placas de apoio no dormente é
dotada de afiadas nervuras, com alguns milímetros de altura, que penetram na
madeira dos dormentes, com o intuito de criar uma melhor resistência ao
deslocamento lateral das placas de apoio. Entretanto, devido à baixa eficiência
observada tal prática foi abandonada (BRINA, 1988).
Brina (1988) explica que a placa de apoio tem geralmente a inclinação de
1:20 (tg = 0,05) para o lado de dentro dos trilhos, sendo dispensada, neste caso, a
entalhação do dormente. Esta inclinação faz-se necessária para que o trilho fique
inclinado do mesmo modo que o aro das rodas, que tem conicidade de 1:20,
evitando assim combater o reviramento dos trilhos externos, nas curvas.
29
A fixação dos trilhos nas placas de apoio, em vez de sua fixação diretamente
sobre os dormentes, apresenta as seguintes vantagens:
a) As placas de apoio são aplicadas aos dormentes com máquinas
adequadas, ainda em estaleiros fixos, o que garante uma boa
uniformidade e perfeição na aplicação, eliminando os naturais
inconvenientes e imperfeições, inevitáveis quando a operação é realizada
nos próprios canteiros de serviço, ainda não descartando essa opção;
b) Quando do assentamento da superestrutura, basta aplicar e fixar os trilhos
às placas de apoio;
c) A fixação dos trilhos pode ser afrouxada ou retirada totalmente, sem a
necessidade de tocar nos tirefonds, e este detalhe é importante para todos
os trabalhos de conservação da linha, evitando inclusive a degradação do
dormente entre uma retirada ou outra da fixação quando a mesma é
direta.
Normalmente a placa de apoio é fixada ao dormente por 2 a 4 tirefonds,
recomendando-se aplicar ainda arruelas de pressão, que evitam a progressiva
redução do retensionamento pela gradativa penetração da placa de apoio no
dormente. Um exemplo do tipo indicado é o da fixação Deenik (Holanda), já citado,
que é composto essencialmente de um grampo elástico aplicado nas ombreiras das
placas de apoio.
Muitos profissionais do ramo ferroviário perguntam por que nos Estados
Unidos os vários trechos de ferrovia possuem fixações a prego e com placa de apoio
– tipos de fixação mais simples – e ainda assim conseguem uma boa qualidade da
via, enquanto em países como o Brasil são adotadas fixações mais “robustas”, como
a elástica Deenik ou Pandrol. Porque não conviver com um tipo de fixação mais
simples e mais barata?
Schramm (1979) lembra que este tipo de fixação é padrão nos Estados
Unidos, onde é empregado inclusive em linhas de tráfego pesado. Normalmente as
placas de apoio são dotadas de oito furos quadrados. De acordo, com a
necessidade de cada caso, aplicam-se, por ponto de fixação, 2 a 8 pregos. Já na
Europa, esse tipo de fixação é considerado deficiente e superado. O fato de ser
admitido como satisfatório nos Estados Unidos, poderia ser explicado pelo fato de
que nos Estados Unidos empregam-se exclusivamente dormentes de madeira duras;
30
além disso, o espaçamento dos dormentes é pequeno e dificilmente superior a 50
cm; e os trilhos empregados, normalmente são de perfis pesados, com 65 a 77 kg/m.
Estes detalhes compensam, em parte, as deficiências da fixação. Além disso,
atribui-se aos dormentes uma vida útil média de apenas 25 a 30 anos. Dormentes
defeituosos ou deficientes são isolados e correntemente substituídos por novos.
Nestas condições, poderia admitir-se que a dormentação sempre está em bom
estado. Face aos elevados salários, a economia é dirigida no sentido de redução de
mão-de-obra, e também em muitos casos, o baixo nível técnico dos trabalhadores de
linha, leva a uma preferência aos tipos de superestrutura o mais simples possível.
O maior consumo de materiais é considerado como fator secundário. Além
disso, prefere-se que os trilhos não sejam rigidamente comprimidos contra os
dormentes, para que, assim, seja garantida certa folga vertical entre a fixação e o
patim do trilho, permitindo com isso, que as ondas de flexão provocadas nos trilhos
pela passagem dos trens, os dormentes não sejam compelidos a se movimentarem
verticalmente no lastro.
2.1.6.2. Arruelas de Pressão e Retensores
Diante da importância de que o conjunto formado pela placa de apoio e pelo
dormente esteja “solidário”, Schramm (1979) explica a importância da utilização das
arruelas de pressão (Figura 14), acessórios de aço, que são empregados sob as
porcas dos parafusos ou cabeça dos tirefonds com o objetivo de proporcionar uma
compressão uniforme, sendo de dois tipos: dupla ou tripla.
Figura 14 – Arruela de Pressão Dupla e sua aplicação no conjunto de fixação. Fonte: acervo pessoal do autor
31
Finalmente, considerando os retensores (Figura 15), Brina (1988) explica que
a utilização destes acessórios visa impedir o deslocamento dos trilhos no sentido
longitudinal, com a finalidade de transmitir aos dormentes o esforço longitudinal que
tende a deslocar o trilho. Para tanto, o retensor que é preso ao patim do trilho por
pressão, fica encostado à face vertical do dormente, transmitindo a este os esforços
longitudinais e estando o dormente engastado no lastro, o seu movimento fica
impedido.
Figura 15 – Retensores e sua aplicação no conjunto de fixação. Fonte: acervo pessoal do autor
Nas fixações rígidas é indispensável contar-se com a ação dos retensores. Já
as fixações elásticas praticamente impedem o deslocamento longitudinal dos trilhos
na passagem dos trens e nesse caso o retensor apenas complementa o
retensionamento da pregação, sendo até em muitas vezes abolido o seu uso
(BRINA, 1988). Contudo, Schramm (1977), recomenda a utilização de retensores em
fixações elásticas naqueles trechos com declividades superiores a 5%, em trechos
com fortes frenagens e em extremidade de linhas com trilhos contínuos soldados.
Concluindo, a guisa de curiosidade é apresentado o Quadro 2, que reúne
informações sobre a utilização de dormentes de madeira em algumas ferrovias
brasileiras e suas principais composições de fixações conhecidas, que foram
apresentadas até na fundamentação teórica.
32
Quadro 2 - Tipos de fixações em dormentes de madeira – Ferrovias da VALE
Ferrovia Espécie
Dormente
Perfil de
Trilho
Tipo de Fixação
Placa de
Apoio
Fixação Trilho
Fixação Placa de Apoio
EFVM Madeira TR-68 Elástica Sim Deenik Tirefond com
arruela
EFVM Madeira TR-57 Rígida Sim Prego Prego
EFC Madeira TR-68 Elástica Sim Pandrol Tirefond com
arruela
EFC Madeira TR-68 Elástica Sim Deenik Tirefond com
arruela
FCA Madeira TR-37 Rígida Sim / Não
Prego / Tirefond
Prego / Tirefond
FCA Madeira TR-45 Rígida / Elástica
Sim Prego /
Tirefond / Deenik
Prego / Tirefond com e
sem arruela
FCA Madeira TR-57 Rígida / Elástica
Sim
Prego / Tirefond / Deenik / Pandrol
Prego / Tirefond com e
sem arruela
FCA Madeira TR-68 Elástica Sim Deenik Tirefond com
arruela
Fonte: Manual Técnico de Via Permanente da Vale.
Nota: EFVM: Estrada de Ferro Vitória Minas; EFC: Estrada de Ferro Carajás; FCA: Ferrovia Centro Atlântica.
33
3. METODOLOGIA PARA FUNDAMENTAÇÃO E ESTUDO DE CASO
A realização deste trabalho apoiou-se principalmente na revisão bibliográfica
do tema. A partir de buscas de artigos e livros nas principais bases de dados e
bibliotecas disponíveis foi realizada a coleta e posterior seleção do material que
pudesse oferecer o embasamento teórico necessário para a confecção do estudo de
caso, que será apresentado a seguir na seção de resultados e discussão.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Estudo de Caso
Atualmente são fabricadas locomotivas de maior potência de tração, vagões
mais leves e materiais mais confiáveis para aplicação na via permanente. Todas
estas inovações convergem para um ponto em comum, o ganho de produtividade
nas ferrovias, que pode distribuir-se de diversas formas como: aumento da
capacidade transportada por eixo, aumento no tamanho dos trens, aumento da
velocidade de circulação, aumento da força tratora do trem etc. Com essa
distribuição de novas tecnologias demonstrará em que ponto a produtividade da
ferrovia poderá avançar, assim como, qual melhoria será escolhida para aplicação.
Nesse aspecto, ainda vale ressaltar que assim que uma variável for estruturada, com
certeza outra precisará de alguma intervenção para correção, ampliação ou
modernização, visto o novo sistema produtivo ser diferente e mais exigente.
Avaliando o ganho de produtividade para uma determinada ferrovia, cita-se
como exemplo o aumento do esforço trator das locomotivas e do tamanho do trem,
ou seja, o aumento do número de locomotivas puxando os vagões e o aumento do
número de vagões desse trem, gerando, desse modo, mais cargas transportadas e
melhor eficiência desse trem. Pensando em todo o universo de produtividade da
ferrovia essa ação permite aproveitar o potencial energético das locomotivas, que
outrora tinham menor potência e tracionavam menos vagões.
Quando se pensa num veículo inscrevendo-se numa curva rodoviária (Figura
16), vê-se que o motorista dirige constantemente equilibrando as forças atuantes no
veículo, ou seja, por meio do volante e da aceleração e desaceleração, o motorista
34
consegue alterar o raio de curvatura do veículo, equilibrando as forças atuantes no
sistema.
Figura 16: Forças atuantes num veículo rodoviário Fonte: o autor
Quando o assunto é ferrovia, o caso é diferente, os raios de curvatura são
definidos para cada elemento curva e todos os trens devem obrigatoriamente fazer
aquela trajetória, transferindo para a linha, forças externas que devem ser
combatidas de modo que o conjunto dormente-trilho-fixação suporte e gere
segurança necessária para a circulação, visto que, a não ocorrência de
descarrilamentos é fator primordial para a segurança e garantia do regime contínuo
e crescente de produção.
Afastar do processo produtivo ferroviário todas as ocorrências de acidente
com trem é um fator de rotina de uma ferrovia, e para isso várias técnicas são
controladas, aplicadas e tratadas. Tais técnicas não serão o foco desse trabalho,
porém as decisões aqui discutidas acrescentam substancialmente, medidas de
controle e parâmetros que requerem cuidados na decisão, uma vez que, um simples
aumento de número de locomotivas e vagões no trem influenciará todo sistema.
As curvas ferroviárias são elementos essenciais nos estudos de aumento de
capacitação dos trens. É válido ressaltar que a literatura técnica atual restringe o
estudo das fixações apenas a parâmetros estruturais (forma, peso, espessura das
peças, bitola, etc.) e consolidação da via permanente. Contudo, não são
encontradas relações entre o tipo de fixação empregada e a velocidade de
circulação permitida, por exemplo.
35
Mas estudos observados por Castelo Branco (2002) fazem recomendação
acerca da utilização de uma determinada fixação para um determinado tipo de
trecho com uma determinada tonelagem bruta anual trafegada neste trecho. Por
exemplo, quando um veículo ferroviário circula em via reta surgem movimentos de
natureza transversal e de baixo esforço lateral, em especial o chamado movimento
de “Lacet”, o qual conduz o veículo a uma oscilação transversal alternada em que os
frisos das rodas são projetados lateralmente, ora numa das filas, ora na outra. Sendo
suficiente, neste caso, a recomendação do emprego de fixação rígida. Já no caso
das curvas onde o esforço transversal é maior – ou seja, curvas mais fechadas com
raios menores que 180m – verifica-se a recomendação de fixação elástica,
composta na maioria dos casos por grampos de fixação, que têm a tendência de
melhorar a absorção dos choques provocados na passagem dos trens, aumentando
a vida útil dos componentes devido ao baixo choque e vibração.
Castelo Branco (2002) ainda lembra a importância de o lastro ferroviário estar
isento de impurezas e contaminações e que tenha uma altura variando em torno de
30 centímetros, permitindo assim um confinamento dos dormentes e
consequentemente uma maior resistência transversal da linha.
O estudo de caso agora apresentado considerou um trecho pertencente à
Ferrovia Centro-Atlântica, com extensão de 29 quilômetros de via férrea, o qual vem
sendo estudado pela operação ferroviária com o objetivo de adequá-lo para que
possa receber locomotivas de maior porte (tipo DDM, com 4000HP), e composições
com mais de 5000 toneladas brutas. Ressaltando que atualmente, as locomotivas
utilizadas nesse trecho são de 2400HP e as composições não ultrapassam 2800
toneladas.
A Ferrovia Centro-Atlântica pretende alterar o trem-tipo no trecho
compreendido entre as cidades de Goiandira e Catalão, situadas no estado de
Goiás, devido a alterações operacionais de formação de trens e elevação da
produtividade por meio do aumento da quantidade de locomotivas e vagões de um
mesmo trem. O estudo de caso tem como principal objetivo estabelecer as
premissas para operação de locomotivas do tipo DDM (4000 HP/unidade tratora)
neste trecho, apresentando posteriormente quais as medidas a serem tomadas para
a permissão operacional dessa locomotiva. Para isso cabe avaliar as condições de
inscrição dos truques da locomotiva; e os esforços transversais devido ao trem-tipo e
as condições estruturais da via permanente.
36
4.1.1. Análises quanto à inscrição da locomotiva DDM nas curvas
A locomotiva DDM foi projetada especificamente para as ferrovias da Vale,
apresentando dois truques, cada um com quatro eixos, perfazendo uma base rígida
efetiva de 5,50 metros, bem maiores quando comparadas às locomotivas de menor
potência (aproximadamente 3,57 metros de base). Sendo que tal configuração de
truque restringe sua operação em trechos com curvas de raios reduzidos (menores
que 180m) devido a dificuldades de inscrição.
Contando com um simulador desenvolvido pela engenharia de via
permanente, chamado “Simulador de Inscrição em Curvas” (Figura 17), é possível
verificar o raio de curva mais adequado para os diferentes tipos de locomotiva.
Figura 17: Simulador de Inscrição em curvas para locomotiva DDM Fonte: Simulador de Esforços da Via Permanente
Os dados de entrada de interesse para esse estudo correspondem às
características técnicas da locomotiva DDM. Desse modo, os principais dados
fornecidos para a determinação do raio mínimo em que a locomotiva DDM se
inscreve numa curva ferroviária são:
37
a. Os valores de base rígida, que é o comprimento de um truque da
locomotiva, que neste caso é a distância entre o primeiro e quarto
eixos;
b. O diâmetro da roda acoplada aos eixos;
c. A bitola de eixamento, que é a distância interna entre as rodas de cada
extremidade do eixo;
d. E a bitola da via, que neste caso é de 1000 milímetros.
Após o processamento do programa, o mesmo apresenta o resultado do raio
mínimo para inscrição livre e o raio mínimo para inscrição forçada, onde o primeiro
referencia o valor seguro para circulação normal da locomotiva, enquanto o segundo
fornece o raio limite de inscrição, onde abaixo dele podem ser provocados inclusive
descarrilamentos da locomotiva.
Assim, observando o resultado na figura 17 para uma configuração da
locomotiva DDM, o valor do raio mínimo para inscrição é de 145 metros, sendo que
curvas abaixo desse valor deverão ter seus traçados retificados. De acordo com o
banco de dados técnicos informados pela Ferrovia Centro-Atlântica, no trecho de via
férrea considerado (Goiandira-Catalão) composto por 53 curvas, somente três
destas necessitarão ser retificadas, já que apresentam raios menores que 145
metros (no caso, 100, 140 e 144 metros).
4.1.2. Análises quanto aos esforços transversais para o trecho Goiandira –
Catalão
O quadro de tração de uma ferrovia é uma tabela obtida a partir do
conhecimento e estudo das variadas combinações de locomotivas, suas potências e
os perfis altimétricos das estradas, definindo assim a formação das composições e
das locomotivas de cada trecho. Na realidade, o quadro de tração demonstra o pior
perfil, ou seja, aquele que limita a quantidade de vagões rebocados para um
determinado número de locomotivas.
Conforme quadro de tração da Ferrovia Centro-Atlântica, o trecho de
Goiandira-Catalão tem uma capacidade de reboque de 1.190 toneladas brutas por
locomotiva do tipo DDM. Considerando que a perspectiva da ferrovia seja a
operação de um trem formado por 51 vagões com 5.100 toneladas brutas, para o
38
trecho mais critico serão necessárias 4,3 locomotivas para tracionar o trem.
Portanto, este trem-tipo requererá uma tração formada por cinco locomotivas DDM.
Conforme padrões estabelecidos pela operação de trens da Ferrovia Centro-
Atlântica, devido ao elevado valor de potência na “cabeça” do trem, não é possível a
formação de um trem com cinco locomotivas consecutivas. Para tanto é preciso
utilizar um artifício operacional conhecido como tração distribuída. Desse modo,
considerando o estudo de caso em questão, em que se pretende movimentar 51
vagões com locomotivas DDM, faz-se necessário então a formação desse trem em
duas composições. Uma com três locomotivas e 35 vagões carregados; e uma
segunda com duas locomotivas e 16 vagões carregados.
39
4.1.3. Resultado das Simulações
Os resultados das simulações foram gerados através do “Simulador de
esforços da via permanente” que faz uma correlação entre as características de
material rodante e da via permanente através da seguinte equação:
Equação (1)
Sendo:
Hc = Esforço de Aceleração não-compensada
Ha = Esforço de Velocidade e estado de manutenção
Hv = Resultante de esforços na via
He = Resultante da componente do esforço trator no engate
L = Limite de resistência transversal da via
Como:
Equação (2)
Logo:
Equação (3)
O fator α é o coeficiente de segurança entre a solicitação (somatório de
esforços) e a resistência da via. A partir do valor de α é possível identificar o quão
próximo as solicitações estão da resistência, podendo ser utilizado como um
indicador de criticidade. Valores muito altos de α indicam que as solicitações estão
40
excessivas e que, portanto, deslocamentos e/ou deformações estão presentes ou
iminentes.
Resumidamente o fluxo para obtenção dos resultados é apresentado na figura
18 a seguir.
Figura 18 - Fluxo dos Cálculos Fonte: Simulador de Esforços da Via Permanente
Para a entrada dos dados, conforme figura 19, é necessário informar o trecho
a ser avaliado que neste caso é Goiandira – Catalão que tem respectivamente as
siglas de EGN e EAE. É informado também o tipo de trilho, neste caso TR-45 (trilho
com 45 kg/metro) e bitola da via, que é de 1 metro.
O tipo de vagão é informado para avaliação dos desempenhos como peso,
comprimento e principalmente, altura do centro de gravidade da caixa do vagão em
relação ao topo dos trilhos, que determina o quão estável está ou não o vagão
circulando numa curva. Quando carregado, o vagão apresenta centro de gravidade
alto, ao passo que quando vazio, o centro de gravidade é mais baixo.
41
É informada também a quantidade de vagões e sua carga por eixo, além da
velocidade de circulação do trem e um indicador de variação de temperatura mínima
e máxima dos trilhos, que para esta região varia em torno de 20ºC. Além disso,
deve-se selecionar a quantidade e o tipo de locomotivas no trem que será simulado,
no caso 3 DDMs de 4000HP por unidade tratora.
No campo dormente e fixação são selecionados os vários tipos existentes e a
avaliação é feita em conjunto, informando ao simulador as várias opções e arranjos
que podem ser propostos e comparados para a definição técnica final sobre qual o
tipo de fixação é mais adequado.
Na figura 19, estão os dados do trem proposto e a superestrutura atual da via
permanente no trecho Goiandira-Catalão – que conta com fixações rígidas com
tirefond em dormentes de madeira – e abaixo os resultados dos trechos críticos que
requerem atenção quanto aos esforços transversais.
Figura 19 – Esforços transversais entre Goiandira e Catalão com três locomotivas DDM e 35 vagões, fixação rígida.
Fonte: Simulador de Esforços da Via Permanente
É possível observar três curvas com o coeficiente de segurança (α crítico),
acima da resistência da via, o qual limita a circulação da locomotiva DDM dentro dos
parâmetros atuais da via. As demais curvas apresentam também valores de α
próximos ao valor crítico.
42
Numa segunda simulação (Figura 20), está a mesma configuração de trem,
porém com um tipo diferente de fixação, no caso, uma fixação elástica em dormente
de madeira.
Figura 20 – Esforços transversais entre Goiandira e Catalão com três locomotivas DDM e 35 vagões, fixação elástica.
Fonte: Simulador de Esforços da Via Permanente
No caso, os trechos críticos e que requerem atenção quanto aos esforços
transversais estão apresentados na figura, onde se observa apenas uma curva com
valor de α critico.
A análise quanto aos esforços transversais demonstra que a superestrutura
do trecho Goiandira – Catalão adequa-se melhor ao comportamento da fixação
elástica, que aumenta a resistência longitudinal e transversal da via, permitindo
assim combater os efeitos gerados pelas forças externas transmitidas à linha, além
do fenômeno de caminhamento de trilhos; alteração de bitola e quebras de fixações
como o tirefond, com consequentes efeitos de desalinhamento; alteração no
posicionamento de juntas e desnivelamentos.
Percebe-se nas duas simulações que as características de trem e via
permanecem as mesmas, sendo diferente apenas o tipo de fixação proposto. No
caso da segunda simulação, apenas com a modificação para fixação elástica já é
43
possível notar que os esforços gerados acima do alfa crítico ocorrerão em apenas
um caso de elemento de curva, ao passo que todos os demais se adaptam aos
parâmetros da via.
Finalmente, tendo em vista que o principal objetivo do estudo de caso foi
apresentar as premissas para operações de locomotivas do tipo DDM no trecho
Goiandira-Catalão, apresentando ainda quais as medidas a serem tomadas para a
permissão operacional desse tipo de locomotiva no referido trecho, podemos dizer
que após a análise das simulações apresentadas as principais medidas a serem
tomadas envolvem a retificação das curvas com raio inferior a 145 metros, bem
como a substituição dos tipos de fixação dos trilhos em todas as curvas da via férrea
em questão. No caso, observou-se que as fixações rígidas deverão ser substituídas
por fixações elásticas do tipo Deenik utilizando quatro tirefonds de 24mm com
arruelas duplas de pressão nas placas de apoio, permitindo assim que as
locomotivas do tipo DDM possam operar e movimentar cargas superiores a 5000
toneladas brutas, elevando os ganhos em produtividade ao mesmo tempo em que
são mantidos os parâmetros de segurança almejados pela operação ferroviária.
Ressalta-se ainda que esse trabalho de substituição das fixações trilho-dormente
não elimina a necessidade da constante manutenção da via permanente,
especialmente a substituição de trilhos e dormentes quando se fizer necessário.
44
5. CONCLUSÃO
O presente trabalho apresentou inicialmente, a partir de bibliografia técnica,
uma relação que engloba os principais tipos de fixações para dormentes de madeira
presentes no mercado brasileiro e utilizadas nas ferrovias de transporte de carga.
Buscou-se também apresentar, de maneira breve, a relação de propriedades,
características e funções desses materiais, publicados nos livros técnicos e também
em informações provenientes de algumas das operadoras de ferrovias brasileiras.
Foi possível reunir em um único texto dados a respeito da variedade de
componentes de fixação, contribuindo assim para a consulta dos profissionais
envolvidos em projetos e manutenção de ferrovias, para suas futuras tomadas de
decisão e estudo de melhores requisitos técnicos.
As informações referentes aos custos de implantação e manutenção de cada
componente de fixação apresentado não foi considerado na avaliação do estudo em
questão, pois se buscou englobar apenas aspectos técnicos.
Visando a continuidade do trabalho aqui apresentado, podem ser feitas as
seguintes sugestões para estudos futuros:
a) Abordar os custos iniciais e de manutenção relativos a cada componente de
fixação para facilitar a tomada de decisão a respeito de qual modelo
implantar;
b) Elaborar um estudo que compare os dormentes de madeira e de plástico
quanto aos aspectos de desempenho e de atendimento às exigências de
projeto de ferrovias de carga. Grande parte das operadoras de carga
possuem dormentes de plástico instalados em suas vias sob a forma de teste,
onde são monitorados continuamente. A reunião e análise dos dados já
existentes de cada operadora quando comparados com os dos dormentes de
madeira correntemente utilizados, seria de grande utilidade aos profissionais
atuantes em projetos ferroviários, que poderiam avaliar as informações
atualizadas relativas a esse novo material, cujas propriedades ainda são
pouco conhecidas;
c) Elaborar um simulador que compare o tipo de fixação a ser adotado numa via
férrea tendo em vista os parâmetros de velocidade máxima autorizada do
trecho, propiciando assim uma forma mais simples e prática para a definição
da fixação a ser empregada;
45
d) E finalmente, realizar estudos sobre os vários tipos de tração de trem, tendo
em vista, o auge da utilização de tração distribuída, hoje utilizada por várias
ferrovias, porém com características ainda muito internas e restritas à
operadora, inclusive com poucos estudos publicados dos ganhos e efeitos
colaterais observados nesse modelo durante o tempo que vem sendo testado
e operado.
46
REFERÊNCIAS
BRINA, H. L. Estrada de Ferro I. Belo Horizonte, Editora UFMG, 1988. 258p.
CASTELO BRANCO, José Eduardo Sabóia. Tratado de Estradas de Ferro. Volume
II, Prevenção e Investigação de Descarrilamentos, Rio de Janeiro, RJ, 2002. DUVAL, Ernani. Curso de Via Permanente Ferroviária. 2001. 24 p. Ferrovia Centro Atlântica, 2001. FERROVIA CENTRO ATLÂNTICA. Manuais técnicos de via permanente da Vale,
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